DE19836015A1 - Wärmetauscher und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Abstract

Bei einem Wärmetauscher, bei dem die Rohrenden mit einem Rohrboden verbunden sind, weisen die Rohrenden einen größeren Querschnitt auf als die mittleren Bereiche der Rohre, wodurch eine einfachere Herstellung ermöglicht wird. Bei einem Aufweitverfahren wird nach dem Fixieren der Lamellen lediglich der kleine Durchmesser des Rohres aufgeweitet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem oder mehreren Rohren, welche Rohrenden aufweisen, mit wenigstens einem Rohrboden, der Durchbrüche zur Aufnahme der Rohrenden aufweist und mit diesen durch Aufweitung der Rohrenden verbunden ist, wobei die Rohre einen ovalen, insbesondere flachovalen Querschnitt mit einem großen Durchmesser A und einem kleinen Durchmesser B aufweisen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wärmetauschers.

Mit der EP-A1-387 678 ist ein Wärmetauscher und ein Verfahren zur flüssigkeitsdichten Befestigung eines Rohrbodens an Rohrenden bekannt geworden, bei dem die Rohrenden nach dem Herstellen des Rohr-Kühllamellen-Verbundes vorgeformt werden, indem ihr großer Durchmesser verkleinert und ihr kleiner Durchmesser vergrößert wird. Hierzu wird ein Drückwerkzeug verwendet, welches einen komplizierten Aufbau aufweist. Neben dem zusätzlichen Arbeitsschritt des Vorumformens und der Verwendung eines komplizierten Vorumformwerkzeugs wird als nachteilig angesehen, dass durch die Aufbauchung der Rohre deren Abstand voneinander ein gewisses Mindestmaß (Teilung) betragen muss, welches nicht unterschritten werden kann. Selbst bei flachovalen Rohren, die aufgrund ihres Querschnitts eine enge Teilung erlauben würden, ist ein relativ großer Abstand erforderlich, da ihre Enden zum Aufsetzen des Rohrbodens tulpenförmig aufgeweitet werden. Außerdem erfordert das radiale Heranfahren des Aufweitwerkzeugs für die Vorumformung einen gewissen Platz neben der Rohrreihe, wodurch bei mehrreihigen Wärmetauschern ein gewisser Mindestabstand zwischen zwei benachbarten Rohrreihen außerdem erforderlich ist. Nach dem Aufsetzen des Rohrbodens werden die Rohrenden durch Einführen eines Aufweitdorns nochmals umgeformt.

Aus der US 4,570,317 ist ein Verbindungsverfahren von Rohren mit Kühlblechen bekannt geworden, bei dem ein Ziehdorn nach dem Aufsetzen der Kühlbleche auf die Rohre durch die Rohre hindurchgezogen wird, wobei die Rohre zunächst in Richtung des großen Durchmessers und anschließend in Richtung des kleinen Durchmessers aufgeweitet werden. Eine Verbindung von Rohrenden mit einem Rohrboden kann mit einem derartigen Ziehdorn nicht durchgeführt werden.

Aus der DE 44 45 590 A1 ist ein Wärmetauscher und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt, bei dem die Rohrenden nach dem Befestigen der Lamellen an den Rohren in die Rohrböden eingesetzt und dort dadurch befestigt werden, dass sie sowohl in Richtung des großen als auch in Richtung des kleinen Durchmessers aufgeweitet werden. Hierdurch wird ein optimaler Halt und eine gute Abdichtung erzielt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher und/oder ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Wärmetauschers bereitzustellen, bei dem die Rohrenden geringeren Belastungen ausgesetzt sind.

Diese Aufgabe wird mit einem Wärmetauscher der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die aufgeweiteten Rohrenden einen ovalen Querschnitt aufweisen, deren großer Durchmesser C gleich groß ist wie der Durchmesser A und deren kleiner Durchmesser D größer als der kleine Durchmesser B des Rohres ist.

Beim fertigen Wärmetauscher weisen die Rohre durchgehend den gleichen großen Durchmesser auf. Die Rohrenden werden also nach dem Befestigen der Lamellen lediglich in Richtung des kleinen Durchmessers aufgeweitet. Dies hat folgenden Vorteil:
Die Rohre des erfindungsgemäßen Wärmetauschers, z. B. eines KfZ-Kühlers, werden also beim Befestigen des Rohrbodens wesentlich weniger stark mechanisch beansprucht als beim Stand der Technik, da sie nur in Richtung der kleinen Achse aufgeweitet werden, da dort ausreichend Material zum Nachfließen zur Verfügung steht.

Beim Stand der Technik weist der große Durchmesser des Rohres, mit einem Krümmungsradius im Bereich von etwa 1 mm, die größte Krümmung auf, so dass er bei einer Aufweitung in diesem Bereich die größten Belastungen erfährt, da kein Material zur Verfügung steht, was bei der Verformung nachfließen kann. Wird der stark gekrümmte Bereich verformt, dann muss dieses Material aus dem schwach gekrümmten Bereich (mit dem großen Krümmungsradius, also aus dem Bereich des kleinen Durchmessers) nachfließen. Das Rohr wird bei einer derartigen Umformung sehr stark, insbesondere im Bereich der großen Durchmessers belastet, was zu Haarrissen oder zumindest zu Materialschwächungen führen kann. Dies wird beim erfindungsgemäßen Verfahren vermieden.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Wärmetauschers kann das Verhältnis des großen Durchmessers C zum kleinen Durchmessers D der Rohrenden in einem Bereich größer als 2 : 1, insbesondere von 2,3 : 1 gewählt werden. Durch dieses Größenverhältnis wird insbesondere die Teilung der Rohre bestimmt. Im Netzbereich der Rohre liegt das Verhältnis der Durchmesser A : B im einem Bereich, der größer ist als 3 : 1, insbesondere bei 5,6 : 1.

Bei einem Ausführungsbeispiel werden die Durchbrüche im Rohrboden von Durchzügen gebildet und es sind zwischen den Durchzügen und den Rohrenden elastische Dichtmittel vorgesehen. Diese elastischen Dichtmittel gewährleisten eine gas- und flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen den Rohrenden und dem Rohrboden. Dabei können die elastischen Dichtmittel von Kunststoff- oder Gummieinsätzen, von einer elastisch aushärtenden Dichtungspaste, z. B. Silikonpaste oder dgl. gebildet werden. Diese elastischen Dichtmittel haben den Vorteil, dass sie rückfedernd sind und den Spalt zwischen den Rohrenden und den Durchzügen mit Sicherheit verschließen.

Ein ungewolltes Lösen des Rohrbodens von den Rohrenden wird dadurch verhindert, dass der flache Abschnitt der Rohrenden auf seinem der Rohröffnung zugewandten Teil eine Auszugsverhinderung aufweist. Diese Auszugsverhinderung wird von einer örtlichen Aufweitung oder Ausbauchung des kleinen Durchmessers D gebildet.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Durchmesser des nicht aufgeweiteten Rohres größer ist als die Abmessung des elastischen Dichtmittels in dieser Richtung. Auf diese Weise wird bereits nach dem Einführen des nicht aufgeweiteten Rohres eine gewisse Abdichtung in Richtung des großen Durchmessers erzielt. Diese Abdichtung bleibt erhalten, selbst wenn das Rohrende nicht mehr in Richtung des großen Durchmessers umgeformt wird.

Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem von einem Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers gemäß der obigen Ausgestaltung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass nach dem Aufsetzen des Rohrbodens auf die Rohrenden ein Aufweitdorn in die Rohrenden eingeschoben wird und gleichzeitig der große Durchmesser A und der kleine Durchmesser B des Rohrendes zum Fixieren der Lamellen und dann der Durchmesser B des Rohrendes auf den Durchmesser D vergrößert bzw. aufgeweitet werden.

Dadurch, dass nach dem Aufsetzen des Rohrbodens auf die Rohrenden gleichzeitig der große Durchmesser und der kleine Durchmesser des gesamten Rohres vergrößert werden, werden die Lamellen an den Rohren fixiert. Diese Aufweitung ist relativ klein und die Materialbeanspruchung gering. Da in den flachen Abschnitten sehr viel Material für die plastische Verformung zur Verfügung steht, können hier wesentlich größere Querschnittsverformungen vollzogen werden als in den stark gekrümmten Abschnitten. Bei dieser geringen Aufweitung fließt Material von den flachen Abschnitten zu den stark gekrümmten Abschnitten. Die Fixierung der Rohrenden im Rohrboden ist nun in Richtung des großen Durchmessers bereits abgeschlossen. Die Rohrenden müssen nun nur noch in Richtung des kleinen Durchmessers am Rohrboden fixiert werden, was durch Aufweitung in Richtung des kleinen Durchmessers erfolgt. Dies ist aber problemlos möglich, da eine derartige Umformung kein große Materialbelastung darstellt. Die Rohrenden liegen nun dicht am Rohrboden an.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der der Rohröffnung abgewandte Teil des flachen Abschnitts des Rohrendes beim Vergrößern des Durchmessers B gegen Kollabieren abgestützt. Da der flache Abschnitt nach außen ausgestülpt wird, tendiert der noch unverformte Teil des flachen Abschnitts zum Kollabieren, was durch eine radiale innere Abstützung verhindert wird, die außerdem die plastische Verformung des flachen Abschnitts unterstützt.

Schließlich ist noch vorgesehen, dass nach Beendigung der Vergrößerung des Durchmessers B auf den Durchmesser D der flache Abschnitt örtlich mit einer einen Abzug des Rohrbodens vom Rohrende verhindernden Aufweitung versehen wird. Diese Aufweitung besteht z. B. in einer zusätzlichen örtlichen Ausstülpung oder Ausbauchung des flachen Abschnitts bzw. des gesamten Rohrendes.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel im einzelnen dargestellt ist. Dabei können die in der Zeichnung dargestellten und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein in einen Rohrboden eingesetztes aufgeweitetes Rohrende;

Fig. 2 einen zum Längsschnitt der Fig. 1 orthogonalen Längsschnitt II-II durch das Rohrende; und

Fig. 3 einen Schnitt III-III durch den Durchzug des Rohrbodens, wobei lediglich ein 90° Sektor des Durchzuges dargestellt ist, in unterschiedlichen Aufweitstadien des Rohrendes.

Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Verbindung eines Rohrendes 1 eines Rohres 2 mit einem Rohrboden 3. Auf das Rohr 2 sind Kühllamellen 4, die lediglich andeutungsweise dargestellt sind, aufgesteckt. Der Rohrboden 3 weist einen Durchzug 5 auf, dessen Öffnung größer ist als der Querschnitt des Rohres 2 und des Rohrendes 1. Auf den Rohrboden 3 ist eine Gummidichtung 6 aufgesetzt, die einen am Durchzug 5 anliegenden, in Richtung des Rohres 2 sich erstreckenden Kragen 7 aufweist. Dieser Kragen 7 befindet sich zwischen dem Rohrende 1 und dem Durchzug 5 und stellt eine gas- und flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen dem Rohrende 1 und dem Rohrboden 3 her. In der Ansicht der Fig. 1 ist der große Durchmesser A des Rohres 2 und der große Durchmesser C des Rohrendes 1 erkennbar, wobei der Durchmesser C gleich groß ist, wie der Durchmesser A.

In Fig. 2 ist ein Schnitt II-II gemäß Fig. 1 dargestellt, wobei hier der Größenunterschied des kleinen Durchmessers B des Rohres 2 zum kleinen Durchmesser D des Rohrendes 1 deutlich erkennbar. Außerdem ist die Ausbauchung 8 deutlich erkennbar, die als Auszugsverhinderung dient. Bei der Ausbauchung 8 ist der freie Randbereich des Rohrendes 1 teilweise auf die Gummidichtung 6 aufgelegt.

Anhand der Fig. 3a bis 3c wird die Fixierung der Rohrenden 1 am Rohrboden 3 beschrieben. Nachdem die Lamellen 4 (in Fig. 3 nicht dargestellt) auf die Rohre 2 aufgeschoben worden sind, werden die Rohrenden 1 entweder ohne Zuhilfenahme eines Werkzeugs oder unter Verwendung eines Einziehwerkzeugs, wie es z. B. aus der DE 33 22 453 A1 für Rundrohre bekannt ist, in den Rohrboden 3, insbesondere in die Öffnungen der in den Durchzügen 5 sich befindenden Gummidichtungen 6 eingezogen. Die Lamellen 4 sitzen noch lose auf den Rohren 2. Das Rohrende 1 liegt jedoch in Richtung des großen Durchmessers bereits unter Vorspannung am Innenumfang der Gummidichtung 6 an und verformt diese geringfügig. In Richtung des kleinen Durchmessers ist das Rohrende 1 von der Gummidichtung 6 noch beabstandet.

Die Fig. 3b zeigt in gestrichelten Linien das Rohrende 1' nach der ersten Aufweitung. Diese erste Aufweitung, die durch Einführen eines Aufweitdornes in die betreffenden Rohre 2 erfolgt, dient zum Fixieren der Lamellen 4 an den Rohren 2. Dabei wird der ursprüngliche große Durchmesser auf den Durchmesser A und der ursprüngliche kleine Durchmesser auf den Durchmesser C aufgeweitet. Dadurch wird die Anlage des stark gekrümmten Bereiches des Rohrendes 1 an der Gummidichtung 6 erhöht. Der flache Abschnitt 11 des Rohrendes 1 weist aber nach wie vor einen Abstand zur Gummidichtung 6 auf. Der große und der kleine Durchmesser des Rohres 2 im Bereich der Lamellen 4 entspricht nach diesem Aufweitvorgang dem großen und kleinen Durchmesser des Rohrendes 1'.

In der Fig. 3c ist in gestrichelten Linien das fertig aufgeweitete Rohrende 1'' dargestellt. Durch Einführen eines zweiten Aufweitdornes in das Rohrende 1' wird lediglich der flache Abschnitt 11 des Rohrendes 1' aufgeweitet. Der große Durchmesser A des Rohres 2 im Bereich der Lamellen 4 entspricht nach diesem Aufweitvorgang dem Durchmesser C im Bereich des Rohrendes 1. Der flache Abschnitt 11 des Rohrendes 1' wird jedoch so weit zum Durchmesser D aufgeweitet, dass das Rohrende 1'' nunmehr flächig an der Gummidichtung 6 unter gleichmäßiger Pressung anliegt. Eine fluiddichte Verbindung zwischen Rohrende 1'' und Rohrboden 3 ist nunmehr hergestellt. Es ist in Fig. 3c außerdem deutlich erkennbar, dass die Verformung im Bereich der maximalen Krümmung nur minimal und somit die auftretenden Belastungen der Rohrenden 1 sehr gering sind.

Schließlich wird gleichzeitig mit der zweiten Aufweitung gemäß Fig. 3c oder in einem weiteren Arbeitsschritt eine Auszugssicherung hergestellt, indem das Rohrende 1'' im Bereich des Durchmesser D zusätzlich aufgeweitet oder der Randbereich, wie in Fig. 2 dargestellt, umgelegt wird.

Claims (13)

1. Wärmetauscher mit einem oder mehreren Rohren (2) welche Rohrenden (1) aufweisen, mit wenigstens einem Rohrboden (3), der Durchbrüche zur Aufnahme der Rohrenden (1) aufweist und mit diesen durch Aufweitung der Rohrenden (1) verbunden ist, wobei auf den Rohren (2) Lamellen befestigt sind und die Rohre (2) einen ovalen, insbesondere flachovalen Querschnitt mit einem großen Durchmesser (A) und einem kleinen Durchmesser (B) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeweiteten Rohrenden (1) einen ovalen Querschnitt aufweisen, deren großer Durchmesser (C) gleich groß ist wie der Durchmesser (A) und deren kleiner Durchmesser (D) größer als der Durchmesser (B) ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Durchmesser (C) : (D) der Rohrenden (1) größer als 2 : 1, insbesondere 2,3 : 1 ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche im Rohrboden (3) von Durchzügen (5) gebildet werden und dass zwischen den Durchzügen (5) und den Rohrenden (1) elastische Dichtmittel vorgesehen sind.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Dichtmittel von Kunststoff- oder Gummieinsätzen (6) mit Kragen (7), von einer elastisch aushärtenden Dichtungspaste, z. B. Silikonpaste oder dgl. gebildet werden.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (A oder C) des nicht aufgeweiteten Rohres (2) größer ist als die Abmessung des elastischen Dichtmittels in dieser Richtung.

6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der flache Abschnitt (11) der Rohrenden (1) auf seinem der Rohröffnung (9) zugewandten Seite eine Auszugsverhinderung aufweist.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auszugsverhinderung von einer örtlichen Aufweitung (8) des Durchmessers (D) gebildet wird.

8. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Durchmesser (A) : (B) der Rohre (2) im Netzbereich größer als 3 : 1, insbesondere 5,6 : 1 ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers mit einem oder mehreren Rohren (2) welche Rohrenden (1) aufweisen, mit wenigstens einem Rohrboden (3), der Durchbrüche zur Aufnahme der Rohrenden (1) aufweist und mit diesen durch Aufweitung der Rohrenden (1) verbunden ist, wobei die Rohre (2) einen ovalen, insbesondere flachovalen Querschnitt mit einem großen Durchmesser (A) und einem kleinen Durchmesser (B) aufweisen, wobei die aufgeweiteten Rohrenden (1) einen Querschnitt aufweisen, dessen großer Durchmesser (C) gleich groß ist wie der Durchmesser (A) und dessen kleiner Durchmesser (D) größer als der Durchmesser (B) ist, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufsetzen des Rohrbodens (3) auf die Rohrenden (1) ein Aufweitdorn (10) in die Rohrenden (1) eingeschoben wird und gleichzeitig der Durchmesser (A) und der Durchmesser (B) des Rohres (2) zum Fixieren der Lamellen und dann der Durchmesser (B) des Rohres (2) auf den Durchmesser (D) vergrößert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrboden (3) ohne vorherige Vorumformung der Rohre (2) auf diese aufgesetzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in die Durchzüge (5) Kragen (7) einer Gummidichtung (6) eingesetzt werden und dass die Rohre (2) mittels zuvor in die in den Durchzügen (5) sich befindenden Kragen (7) eingesetzten Einführwerkzeugen in den Rohrboden (3) eingeführt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufweitung des Durchmessers (B) zum Durchmesser (D) gleichzeitig mit einer einen Abzug des Rohrbodens (3) vom Rohrende (1) verhindernden Aufweitung (8) versehen wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach beendeter Vergrößerung des Durchmessers (B) zum Durchmesser (D) der flache Abschnitt (11) örtlich mit einer einen Abzug des Rohrbodens (3) vom Rohrende (1) verhindernden Aufweitung (8) versehen wird.